非航空电子系统监控处理机设计技术研究
摘 要：为解决非航空电子系统本身没有计算机，无法对自身的故障进行检测、诊断和隔离。通过采用非航空电子监控设计技术，利用非航空电子监控处理机（NAMP）构建非航空电子监控系统，初步实现航空电子与非航空电子的系统综合，改善全机的可测试性和可维修性，减少飞机维护的工作时间和工作难度。以某型飞机为基础，根据航空电子系统所要完成的多种飞行任务，非航空电子监控处理机的功能和性能，进行了NAMP处理机的系统设计，并对该系统的设计方法、关键技术、动态仿真试验进行了研究，为机载计算机软硬件的模块化和层次化设计提供了设计依据。
关键词：非航空电子监控技术；NAMP；层次化模块化设计；动态仿真
文献标志码：A
Abstract：To solve the Non-Avionics system of provincial without computer，not on his own，fault detection，diagnosis，and isolation.Through the adoption of the non-aviation electronic monitoring techniques，using NAMP build non-aviation monitoring system，preliminary implementation avionics and non-avionics integrated system，to improve the testability of the whole machine and maintainability，reduces the cast time of aircraft maintenance work and work difficulty.Based on a certain type of aircraft，according to the avionics system to complete a variety flight tasks，as well as on the functions and performances of NAMP，the NAMP processor system is designed，and the design method of the system，key technology，dynamic simulation test are studied，all of which provides a design base for the modular hierarchy design of airborne computer software and hardware.
Key words：non-avionics monitoring technology；NAMP；Hierarchical modular design；dynamic simulation
传统的对机载非航空电子系统设备的监控方法，是将所有设备的信号、状态通过座舱内的仪表或灯光信号报告给飞行员，造成座舱布局紧张、飞行员负担重、信息共享差、故障分析困难等问题。随着综合化航空电子技术、计算机技术的迅速发展，航空电子系统的功能不断增强[ 1-2 ]，越来越多的利用非航空电子系统监控处理机（NAMP）构建非航空电子监控系统，初步实现航空电子与非航空电子的系统综合，改善全机的可测试性和可维修性，减少飞机维护的工作时间和工作难度。通过NAMP计算机来实现对非航电系统的综合控制管理与调度、状态监控、检测、信息上报、告警输出控制以及负责转发飞机状态信息进行记录等工作，构成了一个具有三层结构的信息综合传递网络[ 3 ]。一种NAMP与航空电子系统和非航电系统体系结构如图1所示。
NAMP主要实现如下功能：
1）状态综合显示：NAMP将监控到的非航电子系统状态通过GJB289A总线上报显示，给飞行员或操作员提供飞机状态参考；
2）故障告警：NAMP将监控到的非航电子系统的异常或故障信息通过GJB289A总线上报飞行员或操作员，并对关键故障给出应急处置表，提示飞行员或操作员进行应急处理，最大化的保障飞行安全；
3）非航電子系统的维护：NAMP通过GJB289A总线接收维护命令，启动非航电子系统设备的维护检查，并进行结果显示，大大的减轻了操作员进行非航电子系统维护的负担；
4）数据记录：NAMP将监控到的非航电子系统状态信息发送到数据传输设备和飞机参数记录仪系统进行记录；
5）自身维护：进行NAMP计算机自身的加电自检和启动自检。
1 软件功能及系统工作模式要求
根据系统顶层需求分解，NAMP软件需完成的主要功能是：
1）周期性（周期大小根据飞机总体系统实时性要求确定）采集航电系统和非航电系统输入的数据：数字量、离散量、模拟量、角度信号；
2）根据输入的航电系统输入的指令信息，按照指令要求完成相应工作方式下工作和指令的正确响应；根据航电系统和非航电系统输入的状态参数信息进行信息转发共享及故障综合处理告警；
3）告警分级处理，根据告警信息按照告警级别的不同，需要采取不同的处理方式。
2 层次化模块化设计方法
随着综合化航电技术的发展，非航空电子系统监控处理机的功能日益强大、系统接口也越来越复杂。传统的紧耦合设计方法已很难适应未来的复杂系统的软件硬件维护、修改及系统升级。换而言之，层次化模块化概念在NAMP设计中得到进一步强化。层次化模块化设计是将一个复杂系统划分为若干个便于实现的功能层或模块，从而简化了系统设计的复杂度，并使系统软件、硬件模块可以并行开发[ 4-6 ]。模块包括硬件模块和软件模块，既是相对独立的功能划分，也是一种先进的封装及安装形式，是航空电子系统综合化实现各种高级特性不可缺少的物理基础。
2.1 硬件层次化模块化设计
按系统功能需求分解及层次化模块化结构设计方法，将NAMP计算机划分为9个物理模块，分别为数据处理模块（DPM）、GJB289A总线接口模块（MBI）、离散量处理模块（DIM1/DIM2）、离散量输出模块（GPI）、RS422通信接口模块（SIM）、ARINC429通信接口模块（SPM）、模拟量处理模块（APM）及电源模块（PS）。NAMP计算机系统结构如图2所示。
2.2 软件层次化模块化设计
按层次化、模块化设计方法，NAMP软件的层次化体系结构如图3所示。
1）应用层。应用层是软件的最高层，负责控制任务的启动、停止、测试及维护，并进行系统信息提取、组织及系统的故障管理，驻留在DPM模块上。
2）驱动层。是应用层与底层之间的一个功能软件包（含函数库），实现主机对各模块的控制功能（如模块的读、写操作等），并对模块中断进行处理，它驻留在DPM模块上。
3）硬件模块。是系统的底层，实现全部硬件处理功能。
3 关键技术研究
NAMP实时监控燃油、电源、灯光、液压、环控、起落架、发动机、电传等17个非航电子系统设备的状态，需及时完成信息采集并进行故障状态的综合判定。其中，实时、准确故障检测设计技术，系统的安全性设计技术，计算机平台设计的小型化技术，模块智能化设计设计，以及系统的动态仿真综合试验等关键技术成为研制前期的关键问题。
3.1 实时、准确故障检测设计技术
NAMP要求能适时、准确的监控并报告非航电子系统的状态和故障。
采用实时操作系统VxWorks作为NAMP的软件设计平台，同时采用多任务抢占和优先级调度方式的周期任务管理[ 7-8 ]。在系统中将实时性高的任务放在优先级较高的50ms、100ms的周期任务中运行，保证了故障检测的实时性。慢速率变化的系统在200ms、400ms、500ms、1000ms的周期任务中执行。同时还采用软件瞬态故障滤波、硬件纹波抑制[ 9-10 ]等故障处理技术和故障判断逻辑，减少了虚警的次数，保证故障检测准确性。
3.2 系统安全设计技术
系统要求NAMP自身故障不能影响非航空电子系统的正常工作，对NAMP的安全性设计提出了很高的要求，主要从从软硬件两方面给出了NAMP安全性的设计方法。
在硬件设计中，设计有抗尖峰浪涌电路、静电保护电路、电压箝位电路、防反向电路、系统共地等保护性电路。离散量输出接口设计有联锁保护电路，保证NAMP的故障不会导致误输出；还设置了限流保护机制，保证外部短路不会损坏NAMP的功能输出；同时也设置了抗尖峰浪涌电路和共地保护电路。在硬件设计上最大限度的保护系统的安全。
在软件设计中，应用软件模块执行过程中均设有“看门狗”机制，可以防止软件跑飞而造成的系统瘫痪[ 11 ]；同时在系统软件中设计了超时处理和异常处理[ 12 ]，保证系统在发生异常时可以及时的做出应急处理，并将故障进行记录以备后期维护；系统软件中还设计了资源冲突管理，保证多任务访问时对共享资源的保护。
3.3 小型化技术
由于机上体积和重量的限制，确定NAMP计算机的设计仅能采取1/2ATR结构的机箱设计，同时NAMP系統监控管理的非航电子系统较多，接口复杂，综合功能较多，在此情况下，我们采取相应措施，选用了部分新型封装器件和中、大规模的可编程芯片[ 13 ]，同时在计算机硬件的设计上采用通用化、标准化和模块化设计，使计算机体积和重量大大降低，为小型化技术奠定基础。
3.4 系统动态仿真技术
在动态仿真的研究中，按照飞机的顶层设计文件的相关要求，设计一套NAMP动态仿真测试验证设备，将NAMP所监管的非航电子系统进行系统功能和接口性能的模拟，为NAMP提供模拟信号源；同时仿真NAMP所在的航电总线的管理功能，对NAMP进行综合管理，可实现非航电系统和航电系统的半物理仿真综合[ 14 ]，快速、全面地进行充分的需求验证并检查出NAMP顶层设计和所开发软件上的功能逻辑错误，提高飞机级系统综合测试的功能检查覆盖率和测试效率并完成NAMP产品自身的功能动态仿真测试验收，保证系统综合试验的顺利进行。
3.5 智能化模块设计技术
在NAMP的设计过程中，通过对系统需求的分析，发现系统对ARNIC429和RS422通信的信息需求量较大，在多周期的任务条件下，ARINC429和RS422通信产生的中断数量多，对NAMP系统的中断响应、任务管理和周期调度产生了很大的压力，设计了智能模块对两类通讯进行智能化管理，它可以实时处理串行数据的接收和发送而不用主处理器的干预，与主处理模块间通过双口存储器进行数据交互[ 15 ]，提高了NAMP系统任务调度的实时性和稳定性。
4 结语
在国内，多数3代和3代半飞机都采用了NAMP进行集中式监控管理，由于采用层次化模块化设计方法并对相关模块进行了智能化设计，使得产品硬件和软件的调试、调度、管理更加方便，设计更加合理可靠。
飞机上安装了非航空电子系统监控处理机后，实现了非航空电子系统的集中显示和集中监控，方便飞行员操纵及维护人员对飞机的维护，缩短维修时间；提高飞机的出勤率和战备完好率，大大提高非航空电子系统的维护性，与原俄制机内监测和告警综合系统的比较对比结果见表1。
参考文献：
[1] Prisaznuk P J.Integrated modular avionics[C].Aerospace and Electronic Conference，1992：39-45.
[2] Zhou T R，Xiong H G.Design of energy-efficient hierarchical scheduling for integrated modular avionics systems[J].Chinese Journal of Aeronautics，2012，25（1）：109-114.
[3] 张曜晖，石山，罗千舟.NAMP系统虚警问题分析研究[J].航空维修与工程，2009（04）.
[4] 范林，王哲，罗千舟.模块化技术在飞机研制中的应用[J].航空维修与工程，2010（03）.
[5] 于峰，孟晓峰.实时软件开发方法的研究[J].电子设计工程，2011（05）.
[6] 黎佩南.卫星载荷软件的层次化设计[J].电讯技术，2012（05）.
[7] Wind Rinver Systems Inc.VxWorks programmer's guide [M].Wind Rinver Systems Inc，2003.
[8] 金宏，王宏安，王强，等.一种任务优先级的综合设计方法[J].软件学报，2003，14（3）：376-382.
[9] 孙旭清.机舱监视报警系统中的软件滤波方法研究[J].船海工程，2009（02）：1671-7953.2009.02.033.
[10] 陈君.滤波技术研究[J].工业控制计算机，2012（05）.
[11] 王斌，等.通过看门狗软件设计提高抗干扰能力的方法[J].计算机技术与发展，2012，10（2）：179-190.
[12] 王澤民，芦东昕，谢鑫.基于VxWorks 的异常处理的研究和实现[J].计算机工程，2005，31（13）：90-92.
[13] 毛小红，崔西会，高能武.高密度集成技术与电子装备小型化[J].电子信息对抗技术，2009（04）.
[14] 张炯，董西路.航电系统数字化综合验证平台的设计[J].计算机仿真，2014，31（6）.
[15] 周前柏，马伟勃.ARINC429通信方式的研究与实现[J].航空计算技术，2010（04）.
基金项目：中航工业技术创新基金（2014D63129R）
作者简介：
周前柏（1984-），男，工程师，研究领域为机载嵌入式计算机应用技术，机电管理系统计算机设计；
王建生（1966-），男，研究员，研究领域为并行计算及并行计算机系统；
王剑博（1988-），男，助工，研究领域为嵌入式计算机设计。
